Особенности поверки (калибровки) горизонтальных цилиндрических резервуаров с применением геодезической приборов

В статье кратко описаны методы проведения поверки (калибровки) горизонтальных цилиндрических резервуаров геометрическим методом с применением геодезических приборов, позволяющие повысить производительность труда при поверке. Применение специальных алгоритмов обработки результатов измерений позволяет также повысить точность вычисления интервальных вместимостей за счет учета отклонения стенки резервуара от правильной геометрической формы

В настоящее время при проведении поверки (калибровки) горизонтальных цилиндрических резервуаров основными операциями, приведенными в ГОСТ 8.346-2000 [1] являются:

- измерение длины окружности поясов резервуара при помощи рулетки;

- измерение диаметра резервуара между отвесами, свешенными с двух сторон образующей;

- измерение внутренних диаметров при помощи нутромера.

В связи с тем, что по таким измерениям форму резервуара, при составлении градуировочной таблицы, учесть невозможно, в ГОСТ 8.346-2000 [1] существует большое количество жестких ограничений, превышение допустимых границ которых приводит к запрету поверки резервуара геометрическим методом. К приведенным в [1] ограничениям относятся:

1. Разность диаметров в одном сечении и разных сечениях, бочкообразность и конусность каждого пояса резервуара должны быть не более определенных по формулам (1), (2), (3) или (4):

- овальность сечения i-го пояса

, (1)

где D_1i, D_2i вычисляют по формулам (Д.4) и (Д.5) или (Д.8) и (Д.10) приложения Д [1];

- конусность сечения i-го пояса

_, (2)

- бочкообразность сечения i-го пояса

; (3)

или

; (4)

где , , вычисляют по формулам (Д.2) и (Д.3) или (Д.7) и (Д.9) приложения Д [1].

2. Непрямолинейность образующей резервуара (излом образующей) - не более 10 мм.

3. Диаметр местной отдельной вмятины (выпучины) – не более 100 мм.

4. Максимальная глубина местной отдельной вмятины (выпуклости) – не более 5 мм.

5. Степень наклона резервуара – не более 0,03.

То есть, выполнив измерения и проанализировав их, в случае выхода контрольных цифр за приведенные ограничения, от геометрического метода необходимо отказаться и перейти к объемному методу, что экономически не оправдано. Тем более, указанным ограничениям будет отвечать небольшой процент резервуаров.

Над этой проблемой ГП “Укрметртестстандарт” начал работу почти тринадцать лет назад [2]. В разработанных методах [3], предусматривающих применение геодезических приборов, пункты 1 – 4 не имеют влияния на точность составления градуировочной таблицы, а в пункте 5 предельно допустимая степень наклона увеличена до 0,05. Главным преимуществом, разработанной в [3] методики, является возможность применения геометрического метода для сильно деформированных резервуаров, однако, для получения высокой точности, необходимо увеличить количество вертикальных сечений, причём, если в резервуаре явно деформирован один пояс, можно увеличить количество измерений только в данном, конкретном, поясе.

Добиться этого удается либо проведением измерений относительно единой оптической оси, заданной геодезическим прибором (рис. 1), либо непосредственным координированием точек на стенке резервуара при помощи геодезического прибора – электронного тахеометра или сканера.

Бочкообразность

Вмятина


Седлообразность

Рис. 1. Радиальное нивелирование относительно горизонтальной оптической оси

Для измерений при поверке горизонтальных резервуаров могут применяться теодолиты и оптические нивелиры, однако, благодаря стремительному развитию геодезической техники, появилась возможность применения широкого спектра новых приборов, в том числе – 3D сканеров, электронных тахеометров, лазерных нивелиров и лазерных ручных дальномеров.

В [3] разработаны два метода основанных на применении разных геодезических приборов для проведения поверки горизонтальных резервуаров:

1. 
   ручной метод радиального нивелирования относительно горизонтальной оптической оси, заданной геодезическим прибором;
   
2. 
   автоматизированный метод координирования точек на поверхности электронным тахеометром или сканером.
   

При использовании первого метода, измерения выполняются с помощью теодолита или оптического нивелира с лазерной насадкой или лазерного нивелира. Метод радиального нивелирования содержит следующие этапы:

1) разбивка точек измерений;

2) подготовка к проведению измерений;

3) проведение измерений расстояний от оптической оси до стенки резервуара;

4) проведение других измерений.

Разбивка точек для выполнения радиального нивелирования стенок резервуара, выполняется согласно МПУ 297/01-2009 [3].

Первый этап. Разбиваются продольные и поперечные сечения резервуара в точках пересечения которых выполняются измерения. Для каждого пояса резервуара разбиваются 3 поперечных сечения. Переднее и заднее находится на расстоянии 50-100 мм от сварочного шва, а среднее сечение находится по середине пояса. Далее наносятся продольные сечения, два вертикальных, два горизонтальных и четыре – через 45° - между горизонтальными и вертикальными сечениями. Допускается большее количество продольных и поперечных сечений, в случае значительной деформации резервуара и необходимости получить более точно вместимости резервуара (рис. 1).

Второй этап. В процессе подготовки к выполнению измерений необходимо установить прибор приблизительно по оси резервуара. Прибор, закрепленный на штативе или штанге (рис. 2, 3), приводится в рабочее положение в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Допустимое отклонение оптической оси прибора от оси резервуара в горизонтальной и вертикальной плоскости не должно превышать 100 мм. Зрительная труба теодолита приводится в горизонтальное положение при наведении на центр заднего днища, (отсчёт по вертикальному кругу – 0° или 90° в зависимости от типа отсчётной системы прибора) и закрепительными винтами фиксируется положение прибора. Для удобства и повышения производительности труда на окуляр теодолита рекомендуется установить лазерную насадку, и проконтролировать соосность луча с оптической осью прибора (рассогласование осей не должно превышать 3 мм на 10 м).

Так же возможна установка лазерного нивелира как на штатив (рис. 2) или штангу (рис. 3), так и при помощи магнита (часто встроенного в прибор заводом изготовителем), на одно из днищ резервуара, соблюдая выше описанные правила установки.

Рис. 3. Установка лазерного нивелира на штанге

Рис. 2. Установка лазерного нивелира на штативе



Третий этап. При проведении измерений наконечник метра складного, метрштока, рейки нивелирной (в дальнейшем - рейки) последовательно прикладывается к внутренней поверхности стенки поясов резервуара перпендикулярно к ней и визирной оси прибора в точках пересечения продольных и поперечных сечений (Рис. 4).

Зрительная труба прибора фокусируется на шкалу рейки, и берется отсчёт при помощи сетки нитей зрительной трубы, а также измеряется расстояние от центра прибора до рейки при помощи рулетки либо дальномера. В случае проведения измерений при помощи лазерного нивелира либо лазерной насадки на теодолит, отсчёт снимается непосредственно оператором с рейки. Если толщина лазерного луча превышает 1…1,5 мм, с рейки снимается отсчёт по верхней и нижней кромке луча и вычисляется среднее.

z

1’

2’

3’

4’

5’

6’

7’

8’

2

3z

4z

5z

6z

7z

8z

q’

Поверхность аппроксимирующего цилиндра

Проекция оси резервуара на плоскость поперечного сечения

Проекция визирной оси теодолита на плоскость поперечного сечения

Поверхность цилиндрической части резервуара

Продольные сечения

Измеренные расстояния

Рис. 4. Определение среднего радиуса цилиндрической части резервуара и его радиальных отклонений от аппроксимирующего цилиндра радиальным нивелированием

В случае проведения измерений при помощи штанги, передвигающегося по штанге поворотного устройства и закрепленного на нем дальномера, ось вращения поворотного устройства совмещается с оптической (визирной) осью геодезического прибора, и проводятся измерения расстояний до размеченных точек пересечения продольных и поперечных сечений резервуара.

Выполнив измерения в передней части резервуара, теодолит разворачивается на 180°. Отсчёт по вертикальному кругу прибора не должен измениться. Далее проводятся аналогичные измерения методом радиального нивелирования.

Четвертый этап. После окончания радиального нивелирования проводится определение абсолютной высоты и геометрических размеров деталей резервуара и другие измерения, а именно:

• 
  определяется абсолютная высота визирной оси прибора над точкой касания стенки метрштоком;
  
• 
  определяется расстояние от прибора до точки касания стенки метрштоком;
  
• 
  определяется абсолютная высота низа сливного патрубка;
  
• 
  определяется глубина заложения горловины;
  
• 
  определяется абсолютная высота локальных деформаций стенки резервуара;
  
• 
  определяется абсолютная высота и геометрические размеры деталей резервуара.
  

Измерения проводятся отсчитыванием по метру складному, рейке или линейке установленной вертикально, конец которой прикладывается непосредственно к точке, абсолютная высота которой определяется.

Измерение общей длинны резервуара, при помощи современного ручного лазерного дальномера, выполняется между наиболее удаленными точками переднего и заднего днища. Это измерение может быть выполнено с предельной погрешностью не более 2 мм. Высота днища резервуара (сферическое, эллиптическое, параболическое, коническое, усеченный конус, сферический сегмент) и общая длина цилиндрической части определяется непосредственным измерением при помощи рулетки или дальномера. Если сумма высот днищ и длины цилиндрической части не совпадает с общей длиной резервуара, то эта разность разбрасывается между высотами днищ и длиной цилиндрической части. Если днище имеет сложную форму, например, в центре днища находится люк, то определение высоты эллиптического или сферического днища проводится методом хорд [3].

По нашим оценкам относительная погрешность интервальных вместимостей в градуировочной таблице для деформированных резервуаров, методами, приведенными в ГОСТ 8.346-2000 [1], составляет от 0,4 до 0,8 % в зависимости от размеров резервуара и высоты его наполнения. Методами, разработанными в [2, 3], относительную погрешность интервальных вместимостей удается уменьшить до 0,3 - 0,5 %.

При использовании второго метода - метода координирования точек на поверхности электронным тахеометром или сканером, в зависимости от типа прибора, измерения могут выполняться в автоматическом безотражательном режиме, когда оператор задает только область сканирования автоматизированным электронным тахеометром или сканером. В ручном режиме наведение тахеометра на точку, на которую выполняются измерения, осуществляет оператор. Изнутри резервуара координируются те же точки, что и при радиальном нивелировании, так же точки могут координироваться в произвольном порядке приблизительно равномерно по всей поверхности. Результаты измерений записываются в память прибора и могут быть скопированными в компьютер в виде текстового файла, что исключает ошибки при записи в протокол и ручном введении данных в компьютер, а также существенно повышает производительность труда.

В настоящее время ДП «Укрметртестстандарт» разрабатывает метод поверки резервуаров и железнодорожных цистерн путем сканирования снаружи при помощи тахеометра или сканера с нескольких точек, координаты которых должны быть определены в единой системе координат (рис. 5 и 6) . Поверка может проводиться по двум схемам. Первая, путем сканирования стенок резервуара с двух точек стояния и комбинированием с нивелированием по верхней и нижней образующей (рис. 5). Высота днища при этом измеряется непосредственно при помощи отвеса и рулетки. Вторая, с двух точек С1 и С2 (рис. 6) сканируются стенки, так же как и в первой схеме, а с точек С3 и С4 отдельно сканируются днища резервуара. Тахеометр или сканер формирует файл координат точек в прямоугольной пространственной системе координат. После внесения этого файла в ППП «VGS», а также толщины стенок цилиндрической части и днищ, вычисляются геометрические параметры и интервальные вместимости резервуара или цистерны.

Рис. 5. Сканирование стенок резервуара с двух точек. Вид сверху

С1

С2

С3

С4

Рис. 6. Сканирование стенок и днищ резервуара с четырех точек. Вид сверху

М4

М3

М8

М7




М1

М2




М6

М5

М9

М10

Рис. 7. Железнодорожная цистерна с установленными марками для проведения сканирования

Также возможно многократно повысить производительность труда, при поверке железнодорожных цистерн, используя 3D сканер. Для проведения калибровки необходимо установить минимум шесть двухсторонних марок на образующую цистерны (рис. 7), две из них установить при помощи магнита на вершины днищ М1 и М2, две на края резервуара сверху М3 и М4 и две, соответственно, снизу резервуара М5 и М6. Данные марки будут использоваться для определения выпуклости днища, что заменяет определение высоты днища при помощи отвеса и рулетки, описанного в ГОСТ 8.346-2000 [1], нивелирования верхней и нижней образующей, а также для координирования точек недоступных для 3D сканера. Возможно увеличение количества марок по верхней и нижней образующей для более точного определения геометрической формы резервуара М7 - М10. При проведении сканирования резервуара с двух сторон марки могут использоваться для связи и ориентации приборов в единой системе координат.

Обработка полученных результатов измерений проводится при помощи соответствующего рабочего программного модуля ППП «VGS». Аппроксимируя прямоугольные пространственные координаты точек на поверхности резервуара, полученные методом радиального нивелирования либо координатного метода, вычисляются его геометрические параметры:

- степень наклона оси резервуара;

- средний радиус цилиндрической части резервуара;

- радиальные отклонения внутренней поверхности резервуара от аппроксимирующего цилиндра радиусом равным среднему радиусу резервуара.

Выводы

1. Применение геодезических приборов при поверке горизонтальных цилиндрических резервуаров позволит повысить производительность труда при одновременном повышении точности определения геометрических параметров и вместимости.

2. Применение геодезических приборов при поверке горизонтальных цилиндрических резервуаров более эффективно при их применении изнутри резервуара.

3. Геодезические приборы предоставляют широкий выбор вариантов методики проведения измерений, приблизительно одного уровня точности, в зависимости от комплекта приборов имеющихся в наличии у организации проводящей поверку.

4. Применение геодезических приборов – тахеометров и сканеров, при доработке соответствующей методики, может оказаться эффективным при поверке железнодорожных цистерн.
Список использованных источников

1. ГОСТ 8.346-2000 ГСИ. Резервуары стальные горизонтальные цилиндрические. Методика поверки.

2. Самойленко А. Н., Заец В. В. Технические и вычислительные средства для определения общей и интервальных вместимостей резервуаров стальных горизонтальных геометрическим методом. Материалы конференции «Машиностроение и техносфера», Севастополь, 1999.

3. МПУ 297/01-2009 Резервуары стальные горизонтальные цилиндрические. Методика поверки геометрическим методом с применением геодезических приборов.